蓝晶石对矾土基低水泥耐火浇注料的性能影响
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摘 要 本文简要介绍了蓝晶石的结构、性能及应用范围，并结合试验，研究了蓝晶石加入量对矾土基耐火浇注料的体积密度、显气孔率、抗折强度和线变化等性能的影响。
关键词 蓝晶石，浇注料，力学性能，线变化
1前 言
蓝晶石的成分为Al2[SiO4]O，与红柱石、硅线石成同质多象。它主要形成于中级变质作用压力较高的条件下，主要产于区域变质结晶片岩中，其变质相由绿片岩相到角闪岩相[1]，与石榴石、十字石、云母和石英共生。蓝晶石具有高温膨胀性、较高的耐火度，是用作不定形耐火材料的极好原料。目前国内已有蓝晶石矿20余处，在耐火材料行业发挥着不容忽视的作用。
2蓝晶石的结构、性能及应用
2.1 蓝晶石的结构
蓝晶石为岛状铝硅酸盐，属三斜晶系，沿C轴呈扁平长柱状，有时晶体的末端膨大呈帽状，晶面具有条纹。Winter、Ghose等对25℃、400℃、600℃时蓝晶石的晶体结构进行了研究，发现Al和Si分属八面体和四面体结构[2]。Al八面体边缘呈之字形且与C轴或[001]面平行，比起红柱石和硅线石，蓝晶石中的Al八面体结构排列更加有序。
蓝晶石存在三种形态：(1)针状和纤维状集合体；(2)富含蓝晶石的假象蓝晶石集合体；(3)蓝晶石结合矿。
2.2 蓝晶石的性能
蓝晶石多为蓝色或蓝灰色、浅白色等，具有玻璃光泽。物理性质见表1。
蓝晶石化学组成为标准莫来石相，结构稳定，一般粘土质耐火材料的耐火度为1670～1770℃，而含蓝晶石的耐火材料其耐火度通常大于1790℃，最高大于1850℃。蓝晶石矿物在加热过程中转化为针状网络的莫来石和SiO2的混合物，这是一个不可逆的转化，在这个转化过程中，矿物伴随着体积膨胀，并且形成良好的莫来石针状网络，体积膨胀率为16～18%。反应式如下：
3(Al2SiO5)Al6Si2O13+SiO2
从图1可以看出，蓝晶石加热至1000℃无变化，在 1300℃以上逐渐转变。当温度在1100～1300℃时，试样体积膨胀不大，蓝晶石分解缓慢，莫来石化不完全，晶体微小。当温度达到1300～1450℃时，蓝晶石快速分解，莫来石化渐趋完全，体积膨胀很大，约在1450℃时，蓝晶石的膨胀曲线达到最大。当温度超过1450℃时，蓝晶石已完全分解，莫来石化完成，晶体开始发育，物料基本不再膨胀，甚至产生收缩。蓝晶石的膨胀性不仅与颗粒有关，同时也与纯度有关，纯度越高，膨胀也就越大，并随Al2O3含量增高，线膨胀增大。
此外，蓝晶石还耐酸碱、耐腐蚀，抗冲击力强，热态强度高，电绝缘性能也较好。
2.3 蓝晶石的主要用途
由于蓝晶石具有以上优异的性能，被广泛应用于各个领域。
(1) 利用蓝晶石高温一次永久性膨胀特性，直接加入不定形耐火材料(如浇注料、可塑料、胶泥)中作高温膨胀剂，从而提高制品的性能，消除材料在高温和冷却过程中产生的收缩裂纹、剥落以及影响使用寿命等弱点，从而延长炉衬寿命。
(2) 用蓝晶石高铝矿物生产的铝酸盐纤维，可用于制作汽车、宇宙飞船和雷达的零部件。
(3) 用蓝晶石煅烧形成的莫来石制作高级耐火材料，可用于高温炉并使其炉龄延长5～6年，节约能源。
(4) 在高铝水泥中加入蓝晶石制成蓝晶石水泥，耐火温度高达l650℃，可应用于军工建筑。
3试 验
3.1 试验原料
试验用主要原料为高铝矾土熟料（骨料：临界粒度为5mm；粉料：＜0.088mm）、SiO2、微粉、Al2O3微粉、铝酸盐水泥（CA-70）和蓝晶石粉，其主要成分见表2。分散剂采用含三聚磷酸钠（STP）、高效减水剂（FDN）和木质素磺酸钙（木钙，相对分子量为2000～100000）的复合外加剂。
3.2 试验过程
试验所用骨料为高铝矾土熟料颗粒，粉料由矾土熟料细粉、SiO2微粉、α-Al2O3微粉、蓝晶石和水泥组成。骨料与粉料的质量比为70：30。复合外加剂和水采用外加方式。按照试验方案向料中加入不同量的微粉，在搅拌机内干混30s，并在30s内匀速加入一定量的水，搅拌2min。将拌好的浇注料装入40mm×40mm×160mm的试模，自然养护24h后脱模。试样在烘干（110℃，24h）和热处理后（ 1100℃，3h、1450℃，3h），分别按国标测量试样的体积密度、显气孔率、冷态抗折强度和线变化。
4结果与讨论
从图2、3可以看出，随着蓝晶石的加入，浇注料在各个温度的体积密度均有所增加，显气孔率大致都呈先增加后降低再增加的趋势，但变化幅度都不是很大，体积密度和显气孔率基本上不会由于蓝晶石的引入而有很大的改变。
由图4可以看出，蓝晶石加入量对干燥后和1100℃热处理后试样的抗折强度影响不大，但经1450℃热处理后试样的抗折强度明显提高，加入2%的蓝晶石，其抗折强度可提高26.5%左右。这是因为低于1100℃时，蓝晶石分解反应还未发生，而经1450℃热处理后，网络状莫来石形成，加之原料中少量碱性物质引入而促进了液相烧结，使试样的抗折强度大大提高[3，4]。但由于蓝晶石的增加，其分解反应产生的膨胀也增加，会对试样的抗折强度产生不利影响，使强度的增加受到了限制，所以加入4%、6%的蓝晶石的抗折强度增加并不明显。
从图5可以看出，1100℃时，蓝晶石的加入量基本不影响试样的线变化，但经1450℃热处理后，随着蓝晶石加入量的增加，试样的线变化逐渐由收缩变为膨胀。这是由于蓝晶石分解反应的发生导致产生了体积膨胀而造成的。
5结 语
蓝晶石作为耐火浇注料的膨胀剂，在补偿浇注料烧结时体积收缩的同时也改善了浇注料的其它性能。从上述试验结果可知：（1）蓝晶石的加入对浇注料的体积密度和显气孔率影响不大；（2）加入适量的蓝晶石可以明显改善浇注料的力学性能；（3）蓝晶石的加入可以提高浇注料的体积稳定性。
参考文献
1 王锡林,王苏新.蓝晶石特性的探讨[J].佛山陶瓷.2005,5:31～33
2 Musa Karakus,Robert Moore.Structure,Properties and Behavior of Kyanite: Use in Refractory Monolithics[J].China's Refractories,2003,12(3):3～6
3 张 玲,窦叔菊.蓝晶石对低水泥浇注料性能的影响[J].鞍山钢铁学院学报,2001,24(2):115～117
4 宋继芳,李君文.高温烧结条件下蓝晶石的莫来石化[J].矿产综合利用,2003,5:27～30